DNA har fått uppmärksamhet för sin potential som en programmerbar materialplattform som kan ge upphov till nya och revolutionerande nanodatorer inom datavetenskap, mikroskopi, biologi, och mer. Forskare har arbetat med att bemästra förmågan att få DNA-molekyler att själva montera ihop till de exakta former och storlekar som behövs för att fullt ut förverkliga dessa nanoteknologiska drömmar.
De senaste 20 åren, forskare har försökt att designa stora DNA -kristaller med exakt föreskrivet djup och komplexa funktioner - en designuppdrag som just genomförts av ett team vid Harvards Wyss Institute for Biologically Inspired Engineering. Teamet byggde 32 DNA-kristaller med exakt definierat djup och ett sortiment av sofistikerade tredimensionella (3D) funktioner, ett förskott som redovisas i Naturkemi .
Teamet använde sin "DNA-brick self-assembly" metod, som först presenterades 2012 Vetenskap publicering när de skapade mer än 100 3D-komplexa nanostrukturer ungefär lika stora som virus. De nyligen uppnådda periodiska kristallstrukturerna är mer än 1000 gånger större än de diskreta DNA-tegelstrukturerna, närmar sig en dammfläck, vilket faktiskt är ganska stort i världen av DNA-nanoteknik.
"Vi är mycket glada över att vårt DNA -tegelstrategi har löst denna utmaning, " sa senior författare och Wyss Institute Core Faculty-medlem Peng Yin, Ph.D., som också är docent i systembiologi vid Harvard Medical School, "och vi blev faktiskt förvånade över hur bra det fungerar."
Forskare har kämpat för att kristallisera komplexa 3D-DNA-nanostrukturer med mer konventionella metoder för självmontering. Risken för fel tenderar att öka med komplexiteten hos de strukturella repeterande enheterna och storleken på DNA-kristallen som ska sättas samman.
DNA-tegelmetoden använder korta, syntetiska DNA-strängar som fungerar som sammankopplade Lego®-klossar för att bygga komplexa strukturer. Strukturer designas först med hjälp av en datormodell av en molekylär kub, som blir en mästerduk. Varje tegelsten läggs till eller tas bort oberoende av 3D-masterduken för att nå den önskade formen - och sedan sätts designen i verket:DNA-strängarna som skulle matcha för att uppnå den önskade strukturen blandas ihop och monteras själv för att uppnå den designade kristallstrukturer.
"Däri ligger den viktigaste utmärkande egenskapen för vår designstrategi - dess modularitet, "sa författarförfattaren Yonggang Ke, Ph.D., tidigare Wyss Institute Postdoc Fellow och nu biträdande professor vid Georgia Institute of Technology och Emory University. "Möjligheten att helt enkelt lägga till eller ta bort bitar från huvudduken gör det enkelt att skapa praktiskt taget vilken design som helst."
Modulariteten gör det också relativt enkelt att exakt definiera kristalldjupet. "Det här är första gången någon har visat förmågan att rationellt designa kristalldjup med nanometerprecision, upp till 80 nm i denna studie, "Sa Ke. Däremot, tidigare tvådimensionella DNA-gitter är typiskt enkelskiktsstrukturer med endast 2 nm djup.
"DNA -kristaller är attraktiva för nanoteknikapplikationer eftersom de består av upprepade strukturella enheter som ger en idealisk mall för skalbara designfunktioner", sade co-lead författare doktorand Luvena Ong.
Vidare, som en del av denna studie visade teamet förmågan att placera guldnanopartiklar i föreskrivna 2D-arkitekturer mindre än två nanometer från varandra längs kristallstrukturen – en kritisk egenskap för framtida kvantenheter och ett betydande tekniskt framsteg för deras skalbara produktion, sa medförfattaren Wei Sun, Ph.D., Wyss Institute postdoktor.
"Mina förutfattade meningar om DNA:s begränsningar har konsekvent krossats av våra nya framsteg inom DNA-nanoteknik, sa William Shih, Ph.D., som är medförfattare till studien och medlem i Wyss Institute Founding Core Faculty, samt docent vid avdelningen för biologisk kemi och molekylär farmakologi vid Harvard Medical School och avdelningen för cancerbiologi vid Dana-Farber Cancer Institute. "DNA nanoteknik gör det nu möjligt för oss att montera, på ett programmerbart sätt, föreskrivna strukturer som konkurrerar med komplexiteten hos många molekylära maskiner vi ser i naturen."
"Pengs team använder metoden för självmontering av DNA-tegel för att bygga grunden för det nya landskapet av DNA-nanoteknik i en imponerande takt, " sa Wyss Institutes grundare Don Ingber, M.D., Ph.D. "Det som bara har varit visioner om hur DNA-molekylen kan användas för att utveckla allt från halvledarindustrin till biofysik håller snabbt på att bli verklighet."
